Un Nuevo Enfoque para Entender los CCMs
La investigación sobre organoides de vasos sanguíneos arroja luz sobre las malformaciones cavernosas cerebrales.
Dariush Skowronek, Robin A. Pilz, Valeriia V. Saenko, Lara Mellinger, Debora Singer, Silvia Ribback, Anja Weise, Kevin Claaßen, Christian Büttner, Emily M. Brockmann, Christian A. Hübner, Thiha Aung, Silke Haerteis, Sander Bekeschus, Arif B. Ekici, Ute Felbor, Matthias Rath
― 6 minilectura
Tabla de contenidos
- Historia e Investigación
- La Patogénesis de la MCC
- Organoides: Una Nueva Esperanza
- El Protocolo para Crear Organoides de Vaso Sanguíneo
- Perfusión y Pruebas
- Proliferación en los Modelos Knockout
- Explorando Diferencias y Similitudes
- La Importancia de los Entornos de Crecimiento
- Una Mirada Más Cercana a la Patología de la MCC
- Conclusión: Un Rayo de Esperanza
- Fuente original
Las Malformaciones cavernosas cerebrales (MCC) son anormalidades vasculares que se encuentran en el cerebro y la médula espinal. Estas lesiones pueden provocar varios problemas, como convulsiones, hemorragias o déficits neurológicos. La aparición de MCC es de alrededor de 1 en 200 personas, lo que las convierte en una condición cerebral bastante común. La mayoría de los casos surgen de manera esporádica, pero alrededor del 6-7% de los casos están relacionados con antecedentes familiares.
Historia e Investigación
La primera familia con MCC se notó en 1928. Desde entonces, los investigadores han identificado tres genes críticos relacionados con la condición: CCM1, CCM2 y CCM3. Los estudios han demostrado que, aunque las formas familiares de MCC son a menudo autosómicas dominantes, la inactivación del gen ocurre de manera recesiva a nivel celular. El descubrimiento de estos genes ha impulsado avances científicos en la comprensión de cómo se desarrollan las MCC.
La Patogénesis de la MCC
La investigación ha señalado señales y vías específicas que conducen a la formación de estas malformaciones vasculares. Un aspecto clave es la pérdida de función en uno de los tres genes identificados, lo que lleva a una cascada de cambios celulares. Las investigaciones en cultivos celulares y varios modelos animales han arrojado más luz sobre cómo se desarrollan estos mecanismos en situaciones reales, aunque aún no se han aprobado medicamentos para tratar las MCC. Dado que la cirugía a menudo es la única opción para los casos problemáticos, desarrollar nuevas terapias sigue siendo una preocupación urgente.
Organoides: Una Nueva Esperanza
En los últimos años, los científicos han recurrido a los organoides-pequeños órganos miniaturizados cultivados en el laboratorio-para estudiar condiciones como la MCC de manera más efectiva. Estos organoides pueden imitar tejido humano real y proporcionar una imagen más precisa de los procesos de enfermedad. Usando métodos como factores de crecimiento específicos y tecnología de células madre, los investigadores pueden cultivar organoides humanos que se asemejan a los vasos sanguíneos. Este enfoque ha mostrado potencial para comprender mejor el papel de los genes en el desarrollo de la MCC.
El Protocolo para Crear Organoides de Vaso Sanguíneo
Crear estos organoides implica una serie de pasos para asegurar su crecimiento y función adecuados. Se cultivan células madre humanas y se diferencian en células vasculares, creando estructuras similares a vasos sanguíneos. Este proceso se ha optimizado para permitir pruebas en alta capacidad, lo que significa que los científicos pueden generar rápidamente numerosos organoides para la experimentación. Usar placas especiales que minimizan el manejo manual ayuda a acelerar el proceso-¡es como una línea de ensamblaje de fábrica, pero para pequeños vasos sanguíneos!
Perfusión y Pruebas
Una vez que se establecen los organoides de vasos sanguíneos, se puede probar la perfusión-el proceso de suministrarles sangre o soluciones nutritivas. Este paso es crucial ya que imita cómo funcionan los vasos sanguíneos reales en el cuerpo. Al colocar los organoides en embriones de pollo o en placas especializadas, los científicos pueden observar qué tan bien estos vasos sanguíneos artificiales circulan fluidos. Es un poco como prepararse para unos Juegos Olímpicos en miniatura, donde los organoides compiten para ver qué tan bien pueden resistir la presión.
Proliferación en los Modelos Knockout
Los modelos knockout-donde se desactivan genes específicos-han abierto una nueva vía para entender el comportamiento celular. Por ejemplo, cuando los investigadores desactivaron ciertos genes relacionados con la MCC, vieron algunos resultados sorprendentes. En particular, las células que carecían del gen CCM3 mostraron patrones de crecimiento agresivos, casi como si estuvieran tratando de iniciar su propia carrera dentro del mundo de los organoides. Esta proliferación inesperada destaca la complejidad de las interacciones genéticas y el delicado equilibrio del crecimiento celular.
Explorando Diferencias y Similitudes
En sus análisis, los investigadores encontraron varios grupos de células dentro de los organoides que mostraban rasgos únicos de expresión genética. Algunos grupos estaban compuestos principalmente de células vasculares, mientras que otros mostraron características de células exploradoras que podrían estar ayudando a los vasos a crecer. Es como una ciudad bulliciosa, donde algunos están ocupados construyendo las calles, mientras que otros están atentos a posibles problemas.
La Importancia de los Entornos de Crecimiento
Las condiciones que rodean-como el medio de cultivo utilizado-jugaron un papel importante en cómo se comportaban estas células. Por ejemplo, algunos ambientes hacían que las células knockout crecieran como malas hierbas, mientras que otros no apoyaban tanto su crecimiento. Esto revela cuán críticos son los factores externos en la determinación de los comportamientos celulares, enfatizando que no solo se trata de qué genes están activos, sino también de dónde están creciendo.
Una Mirada Más Cercana a la Patología de la MCC
A través de estos diversos estudios, quedó claro que las MCC no son solo incidentes aislados. Hay una intrincada interacción de genes, comportamientos celulares y condiciones ambientales que contribuyen a su formación. Esta complejidad ayuda a entender por qué algunas personas con ciertos defectos genéticos pueden sufrir síntomas más severos que otras. Es una red enredada, donde hilos de información genética e influencias ambientales se entrelazan para crear el resultado final.
Conclusión: Un Rayo de Esperanza
La exploración de organoides de vasos sanguíneos representa un paso significativo hacia desentrañar los misterios de las MCC. Al proporcionar una plataforma para pruebas y observaciones, estos modelos permiten a los científicos obtener valiosos conocimientos sobre cómo diferentes genes y factores ambientales contribuyen a esta condición. Aunque aún no hay curas o terapias disponibles, la investigación en curso sigue acercándonos a comprender y potencialmente tratar las malformaciones cavernosas cerebrales.
Al final, ¿quién sabe? Tal vez algún día, estos organoides nos ayuden a allanar un camino más suave hacia un mundo libre de MCC, o al menos, nos armaremos con el conocimiento que necesitamos para enfrentarlos de manera efectiva.
Título: High-throughput differentiation of human blood vessel organoids reveals overlapping and distinct functions of the cerebral cavernous malformation proteins
Resumen: Cerebral cavernous malformations (CCMs) are clusters of thin-walled enlarged blood vessels in the central nervous system that are prone to recurrent hemorrhage and can occur in both sporadic and familial forms. The familial form results from loss-of-function variants in the CCM1, CCM2, or CCM3 gene. Despite a better understanding of CCM pathogenesis in recent years, it is still unclear why CCM3 mutations often lead to a more aggressive phenotype than CCM1 or CCM2 variants. By combining high-throughput differentiation of blood vessel organoids from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with a CCM1, CCM2, or CCM3 knockout, single-cell RNA sequencing, and high-content imaging, we uncovered both shared and distinct functions of the CCM proteins. While there was a significant overlap of differentially expressed genes in fibroblasts across all three knockout conditions, inactivation of CCM1, CCM2, or CCM3 also led to specific gene expression patterns in neuronal, mesenchymal, and endothelial cell populations, respectively. Taking advantage of the different fluorescent labels of the hiPSCs, we could also visualize the abnormal expansion of CCM1 and CCM3 knockout cells when differentiated together with wild-type cells into mosaic blood vessel organoids. In contrast, CCM2 knockout cells showed even reduced proliferation. These observations may help to explain the less severe clinical course in individuals with a pathogenic variant in CCM2 and to decode the molecular and cellular heterogeneity in CCM disease. Finally, the ability to differentiate blood vessel organoids in a 96-well format will further facilitate their use in drug discovery and other biomedical research studies. STATEMENTS AND DECLARATIONSO_ST_ABSConflicts of interest statementC_ST_ABSThe authors declare no competing interests. The here described protocol for high-throughput organoid synthesis has been filed as a patent application at the European Patent Office (Process number: EP24213596.0) Author contribution statementMR, DSk, and UF designed the study. DSk, VS, LM, and RAP performed most of the functional experiments. SH and TA performed the CAM assays. SR performed the immunohistochemical stainings. SB, DSi, DSk, and VS performed the confocal microscopy and high-content imaging analyses. AE, CB, and EMB performed the scRNA sequencing analysis. AW and CAH performed and analyzed the karyotyping of the hiPSC clones. DSk, RAP, VS, KC, MR, and SB analyzed the data. DSk, VS, LM, and MR prepared figures. All authors contributed to the interpretation of the results. DSk, RAP, VS, and MR drafted the manuscript, and all authors contributed to writing. Ethics statementThis study does not involve human participants or animal subjects. Availability of data and materialsAll relevant data are published within the paper and the supplementary files. ScRNA sequencing data can be accessed through the Gene Expression Omnibus (GEO) database (record number: GSE276497).
Autores: Dariush Skowronek, Robin A. Pilz, Valeriia V. Saenko, Lara Mellinger, Debora Singer, Silvia Ribback, Anja Weise, Kevin Claaßen, Christian Büttner, Emily M. Brockmann, Christian A. Hübner, Thiha Aung, Silke Haerteis, Sander Bekeschus, Arif B. Ekici, Ute Felbor, Matthias Rath
Última actualización: 2024-12-05 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.04.626588
Fuente PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.04.626588.full.pdf
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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